Historia anten radiowych typu Yagi-Uda

Jeszcze do niedawna na wielu budynkach widoczne były anteny analogowej telewizji naziemnej. Dało się je dostrzec w niemalże każdym zakątku. W najbardziej oddalonych od nadajników miejsc konieczne były instalowanie całkiem sporych anten.

W ostatnich latach anteny te stopniowo znikały z naszego krajobrazu, z uwagi na zwiększający się zasięg telewizji kablowej czy - finalnie - przejście do nadawania jedynie cyfrowego sygnału telewizji naziemnej.

Fizyka anten kierunkowych - nazywanych czasami Yagi - jest bardzo ciekawa. Warto także zapoznać się za historią, jaka doprowadziła do ich wynalezienia, szczególnie że tego rodzaju anteny używane są do dzisiaj, już nie jako anteny telewizyjne, ale np. jako kierunkowe anteny WiFi.

Uda kto?



To co obecnie znane jest jako antena Yagi powstało w latach '20 XX wieku w laboratorium kierowanym przez profesora Shintaro Udę na Tohoku Imperial University w Sendai w Japonii. Uda pracował nad antenami kierunkowymi na pasmo VHF. Eksperymentował on początkowo rezonansową anteną w kształcie pierścienia, ale odkrył, że umieszczenie statycznej pętli z drutu blisko anteny sprawia, że jej charakterystyka przestaje być dookólna, a zaczyna być bardziej kierunkowa - dodany element zaczyna pełnić rolę reflektora, odbijającego część promieniowania.

Wraz ze swoim współpracownikiem, Hidetsugu Yagi rozpoczynają oni prace eksperymentalne nad różnymi układami antenowymi w celu poprawy charakterystyki kierunkowej anteny radiowej. Finalnie w projekcie wymienili pętlę na pojedynczy, prosty dipol i dodali do anteny dodatkowe elementy, nazwane direktorami, które pomóc miały w ukształtowaniu wiązki promieniowania radiowego. Finalnie, wykorzystując osiem direktorów, umieszczonych na 15 metrowej, drewnianej antenie na dachu swojego laboratorium , udało im się nawiązać w pasmie 68 MHz komunikację o zasięgi 135 km. Było to nie lada osiągnięcie, zważywszy, że wydarzenia te miały miejsce niemalże sto lat temu.



Ta antena kierunkowa nazwana została przez swoich konstruktorów kanałem falowym. Nie jest to najwygodniejsze określenie, więc antena musiała zaadaptować czyjeś imię. To dlaczego antena nie jest obecnie nazywana nazwiskiem swojego wynalazcy - Uda, a Yagi pozostaje poniekąd tajemnicą. Jedni mówią, że to wina naiwności prof. Uda, który dopuścił do tego, że Yagi złożył wnioski patentowe z jego pominięciem, a inne źródła wskazują na fakt, że po prostu Yagi był pierwszym, który opisał antenę w Stanach Zjednoczonych, gdyż znał język angielski. Wiele źródeł wskazuje, że Yagi wielokrotnie wskazywał na Uda jako rzeczywistego pomysłodawcę tej konstrukcji.

Pożyteczne pasożyty



Dwie główne cechy anteny Yagi-Uda to wysoka kierunkowość i duże wzmocnienie. Antena ta jest wykorzystywana głównie dla wysokich częstotliwości, gdyż jej elementy muszą być długości około połowy długości fali, więc aby antena była praktycznych rozmiarów to częstotliwość jej pracy powinna być co najmniej powyżej 30 MHz. Nie oznacza to wcale, że anteny nie da się stosować w pasmie 20 m czy 40 m - wielu radioamatorów takie wykorzystuje, ale anteny na te pasma są na prawdę duże i mało poręczne.



W swojej podstawowej wersji antena Yagi składa się z jednego zasilanego elementu, który znajduje się równolegle i w jednej płaszczyźnie do dwóch elementów pasożytniczych - pojedynczego reflektora, który jest z tyłu anteny i direktora, który jest z jej przodu (patrząc w kontekście kierunku nadawania). Praktyczne realizacje anteny Yagi często mają więcej direktorów, gdyż zwiększenie ich ilości do pewnego stopnia poprawia kierunkowość jak i wzmocnienie układu. Taka konstrukcja daje antenom Yagi bardzo charakterystyczny wygląd. Istnieje oczywiście wiele różnych modyfikacji oryginalnego projektu. Część anten telewizyjnych reflektor ma w postaci umieszczonej pod kątem płaszczyzny, z kolei inne anteny charakteryzują się direktorami umieszczonymi pod kątem - na przykład 90° - zależnie od pożądanego wpływu anteny na polaryzację sygnału.

Faza

Aby zrozumieć zasadę działania anteny Yagi wystarczy przypomnieć sobie w jaki sposób emituje zwykły dipol w próżni. Emisja z takiej anteny najsilniejsza jest "w bok" dipola. Jeśli spojrzymy na przekrój emisji anteny to doskonale to widać, że emisja zachodzi głównie w dwóch kierunkach (w rzucie 2D). Aktywny element anteny Yagi jest właśnie takim dipolem dostrojonym do połowy długości fali swoją długością. Elementy pasożytnicze służą do ukierunkowania tej emisji jeszcze bardziej wykorzystując konstruktywną i destruktywną interferencję fal.

Jak odkrył Uda, pasożytnicze elementy mogą być sprzężone z elementem aktywnym indukcyjnie lub pojemnościowo. Aby uzyskać sprzężenie indukcyjne, element musi być minimalnie dłuższy niż połowa fali anteny, a aby uzyskać sprzężenie pojemnościowe minimalnie krótszy. Direktory anteny są sprzężone pojemnościowo, dlatego są odrobinę krótsze, natomiast reflektor, odbijający fale, jest sprzężony indukcyjnie i jest minimalnie dłuższy. Różnica długości tych elementów nie musi być duża, zazwyczaj wystarczy zmiana długości o około 10% - 15%.



Reflektor i direktory działają na zasadzie wypromieniowywania energii z elementu aktywnego, z którym są sprzężone. To w jaki sposób są one sprzężone z elementem aktywnym wpływa na fazę emitowanego promieniowania. Ich odpowiednie umiejscowienie względem siebie zapewnia, że konstruktywne i destruktywne interferencje pomiędzy przebiegami zapewnią kierunkowość.

Reflektor sprzężony jest indukcyjnie z elementem aktywnym, przez co emituje w przeciwfazie. Direktory z kolei są sprzężone pojemnościowo i emitują w fazie z elementem aktywnym. Dlatego też emisja z anteny zachodzi najsilniej w kierunku direktorów. Rezultatem tego jest doskonała kierunkowość anteny podczas nadawania. A jak wiadomo z teorii anten, każdy układ nadawczy może odbierać z taką samą charakterystyką jak nadaje. Nieważne więc, czy do anteny podłączony jest 100 watowy nadajnik, cy zbiera ona mikrowaty promieniowania odległego nadajnika, kierunkowość zostaje zachowana i możliwe jest osiągnięcie wysokiego, do 20 dBm, wzmocnienia sygnału w wybranym kierunku.

Jednakże antena Yagi ma też swoje wady. Z uwagi na fakt, że krytyczne są tutaj wymiary i odległość pomiędzy elementami, pasmo tej anteny jest wąskie. Dodatkowo, wysoka kierunkowość anteny sprawia, że musi ona być precyzyjnie pozycjonowana, aby 'wycelować' w odbiornik lub nadajnik. Jednakże, jeśli potrzebujemy dużego wzmocnienia i kierunkowości, to ta relatywnie nieskomplikowana antena z egzotycznym rodowodem jest idealnym wyborem.

Źródło: http://hackaday.com/2017/05/24/on-point-the-yagi-antenna/